資源簡介

(共59張PPT)
一、控制系統設計的一般思路
二、控制系統的設計與實施案例
第1課時
引入：
要設計一種自動開關的節能燈控制系統，如何展開我們的設計思路？需要從哪些方面著手考慮問題呢？
被控對象是什么？
控制的目的是什么？
這種燈用在什么地方？環境怎樣？
這樣的燈應如何工作？被控量和控制量分別是什么？
有什么其他因素會干擾燈的正常工作？ 依據你的判斷，能提出一種設計方案嗎？
1.控制系統設計的一般思路：
控制系統設計
明確控制的目的
確定被控量、控制量
分析被控對象
的主要特性
控制系統的調試
運行和評價
分析主要的干擾因素
控制系統方案的選擇
系統的成本分析
……
實施控制系統所需的設備、元件等
案例：電吹風風速控制
（1）被控對象是什么？ （2）控制目的是什么？ （3）被控量是什么？控制量是什么？ （4）需要哪些零部件組成控制系統？ （5）有哪些干擾因素會影響到控制系統的工作？影響的程度有多大？ （6）你認為,控制系統各部件的設計還與什么有關
⑴ 開環控制系統的設計
明確設計要求。
明確被控對象、被控量和控制量。
考慮控制系統的方案。
設計要求：電吹風能根據不同的擋位（如冷風擋、熱風擋）輸出不同種類的風。
設計分析：電吹風控制系統的被控對象是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。 電吹風分控制工作過程：電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。
方案構思：
選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的擋位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。電機、風扇、電熱絲設定電吹風的擋位（輸入）風的速度和溫度（輸出）。
電機、風扇、電熱絲
設定電吹風的擋位
（輸入）
風的速度和溫度
（輸出）
試驗過程：
1.畫出電吹風的電路設計圖； 2.選擇擋位打開開關演示電吹風的工作過程； 3.知識延伸：如果設定了熱風擋之后又需要分強風擋和弱風擋如何進行設計。
案例：抽水馬桶
觀察模型的演示，閱讀教材，陳述其工作過程。提出下列問題： （1）被控對象是什么？ （2）控制目的是什么？ （3）被控量是什么？控制量是什么？ （4）為什么采用閉環控制方式？ （5）被控量與控制量之間是如何實現反饋的？ （6）如果要節約用水，減少水箱每次沖水量，你能設計哪幾種方案？
⑵ 閉環控制系統：
① 一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
② 控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內。
③ 閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
設計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統 設計要求： 1.當水箱中的水位低與某一指定的高度時，進水口立即進水。 2.當水箱中的水位高與某一指定的高度時，進水口立即停止進水。 3.控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別的要求。
設計分析：
1.從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。 2.被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈曲線關系。 3.主要干擾因素水水箱的流水量。采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱中的水位低與某一指定的高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱中的水位高與某一指定的高度時，水位差為零，進水閥關閉。
水箱水位的控制過程：
撥動沖水旋扭，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
給定水位
杠桿比較
進水閥門
水箱
水位
浮球
+
-
控制過程方框圖：
小結：
一、控制系統設計的一般思路
系統要達到的目標？
控制的對象？
被控對象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干擾因素？
怎樣的方案既達到目的、又經濟、易于實現？
設備和元件？
1.選擇開環還是閉環要根據控制系統的精度要求和條件的可行性而定
2.找出控制系統的干擾因素，并分清主次，找出最大的干擾因素
3.要確定控制量和被控量
4.執行器和檢測裝置的選擇: 一是要根據控制量和被控量的需求，二是根據控制條件
控制系統設計需滿足的基本條件:
能達到控制的目的
采用易于實現的方式
降低控制成本
減少對環境的負面影響
教學資料： 1.控制的函義
人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發展。
2.控制的分類
（1）從控制過程中人工干預的情形來分：人工控制、自動控制；
（2）按照執行部件的不同來分：機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。
3.控制系統
（1）控制系統的函義：任何一個控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節就構成了一個系統。
（2）控制系統的分類：由于控制的方式不同，自動控制又有：開環控制系統和閉環控制系統之分。
4.開環控制系統
（1）開環控制系統函義：控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。 （2）控制系統方框圖：在控制系統中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統的環節，用單向信號線表示系統信號傳遞的方向，它表示了系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關系。 （3）開環控制系統的方框圖：控制器執行器被控對象控制量輸入量輸出量。
控制器
執行器
被控對象
控制量
輸入量
輸出量
5.閉環控制系統
（1）閉環控制系統函義：我們把系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。 （2）閉環控制系統方框圖：控制器、執行器、被控對象、控制量、輸入量、輸出量、檢測裝置、＋、－。
控制器
執行器
被控對象
控制量
輸入量
輸出量
檢測裝置
＋
－
6.干擾因素
在控制系統中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。
7.反饋的涵義
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回輸入端與輸入量進行比較的過程。
8、開環控制系統與閉環控制系統的比較
① 開環控制系統：控制精度相對比較低，結構簡單，適用與控制精度要求不高而系統本身元件又比較穩定的場合。
② 閉環控制系統：控制精度高，結構相對復雜，構成控制系統的成本較高，適用與要求高精度和高可靠性的場合。
9.不同閉環控制系統設計的基本要求
① 一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
② 控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內。
③ 閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
第2課時
自動升旗簡易控制裝置的設計與實施
1.明確設計的要求，明確控制系統設計所要達到的目標。
2.提出多個設計方案，進行分析、權衡、比較，確定一個相對較好方案。
3.動手安裝、調試升旗控制系統。
4.撰寫試驗報告、自我評價和小結。
設計要求：
1.在國歌播放的時間內，控制國旗勻速上升到旗桿的頂端； 2.選擇恰當的控制方案實現控制； 3.選用成本低、易于獲取的元件、設備和材料制作模型。
設計分析：
1.采用開環控制系統，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動與停止（或速度）。 2.這一開環控制系統由計時裝置和控制升旗的裝置共同組成。 3.計時裝置和控制升旗裝置的實現可以有多種方案，例如，采用機械定時器和電動機實現，采用成品電子定時器和電動機實現，采用自制電子定時器和帶可調速電路的電動機實現，采用音頻信號、觸發電路和電動機實現。 4.采用任何一種方案實現，都要經過若干次調試，直到符合設計要求為止。
定時裝置
電動機
滑輪、國旗
定時時間
升旗速度
設計準備：
機械定時器（或電子定時器、自制電子定時器、CD唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機調速器，直流電源。
設計方案A：
1.采用機械定時器、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現。其中機械定時器相當于電動機的開關。
2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。
3.將機械定時器、直流電源和電動機串聯在一個回路中。
4.初始狀態使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動機械定時器，電動機開始轉動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。
設計方案A：
5.為使系統在非正常狀態下保證旗幟的升降，還需要在電路中并聯一個手動開關，當控制系統出現故障時，使用手動開關直接控制電動機的轉動與停止。 機械定時器靠手動旋轉實現定時，定時的精確度略低，但只要細心操作可以滿足要求的。
設計方案A：
方案B：
采用成品的電子定時器、直流電動機、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現。
用電子定時器代替機械定時器，其他步驟參照方案A。 電子定時器比機械定時器的定時精確度高，所以對操作者的要求相對低一些。
方案C：
1.采用成品的電子定時器、帶有可調速電路的電動機、直流電源、滑輪等元件實現。
2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。
3.將自制的電子定時器、直流電源和電動機串聯在一個回路中。其中，自制的電子定時器可根據學校實驗室現有的元件、設備和已知電路進行制作，如可用555時基電路制作定時器，通過定時器控制的繼電器來控制電動機的轉動與停止；采用TWH8752開關電路制作電動機的可調速電路。
方案C：
4.在調速電路中并聯一個手動按鈕SW2，用于在出現故障時能升降旗幟。
5.初始狀態使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動自制的電子定時器，電動機開始轉動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。（自動升旗簡易控制裝置電路圖）
方案D：
1.采用CD 唱機（含有觸發電路）、電動機、直流電源、滑輪等元件實現。
2.測得國歌播放時間和旗桿長度，預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。
3.從CD唱機中引出音頻信號，將CD唱機（含有觸發電路）、電動機、直流電源串聯在電路中。
方案D：
4.初始狀態使國旗在旗桿底端。當啟動CD唱機播放國歌時，音頻信號觸發電路帶動電動機轉動，使滑輪運動，國旗勻速上升；當國歌播放結束、沒有音頻信號時，電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。
5.在啟停電動機的電路中并聯一個手動按鈕SW2，用于在出現故障時能升降旗幟。 這一方案的特點是，不需要外加定時器，而用音頻信號直接控制電動機，減少了時間上的誤差。
作業：
1.以前學校的大門是對開的，現在很多學校的門都改為電動門，但是這種門操作過于呆板，大門在關閉過程中有人通過時，容易夾傷行人，請同學們就我們所學習技術與設計的知識分析電動門的設計，并能夠提出改進方案。
作業：
2.有位科學家，為了促使迷上電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”女兒必須騎上自行車不停地踩腳蹬，才能驅動發電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發電—電視機”這一過程的方框土，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術和原理。
3.設計并制作水車控制裝置的模型。利用流動的水沖擊水車，以控制不同的機械裝置而產生動作。
第3課時
自動升旗簡易控制裝置的設計與
實施評價和總結。
1.方案實施： 自動升旗簡易控制裝置的設計與實施
2.交流與評價：
①撰寫試驗報告，自我評價和小結；
②小組自評；
③展示成果，學生將本組的作品展示給全班同學，其他同學可以提出自己的改進意見。
作業：
1.在賓館的房間天花板上都有一個自動滅火裝置，當室內煙霧的濃度過高時，該裝置會自動噴水，起到降溫滅火的作用，請你根據這一裝置，設計自動滅火裝置的模型。
2.請對太陽能熱水器進行分析： （1）一般家用太陽能熱水器水溫控制是如何實現的？ （2）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低是，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統的方框圖，并說明其工作過程。
3.設計并制作可伸縮的晾衣控制裝置。利用手搖裝置或電動裝置將晾衣繩連同衣物移到室外，下雨時將它整體收回到室內。

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